iện của mục tiêu. Nhờ vậy, giá trị đo của các nút có thể đƣợc ổ sung cho nhau. Đầu vào để tổng hợp ữ liệu từ các nút này có thể sẽ tốt hơn.
Kiểu cạnh tranh (Competitive type): Kiểu th o i này đƣợc minh họa ở Hình 1.10 , mỗi nút độc lập đo lƣờng toàn ộ các thuộc t nh của mục tiêu. Tổng hợp ữ liệu từ ết quả đo lƣờng của nhiều nút về cùng ộ thuộc t nh của mục tiêu, các ết quả đo có thể hác nhau tùy thuộc vào độ nhạy của cảm biến ở mỗi nút đối với mục tiêu tại cùng một thời điểm đo hoặc tại các thời điểm đo hác nhau. Kiểu th o i này có hả năng háng lỗi (tolerance) cao vì nút CH có thể so sánh ết quả đo của các nút cảm iến trong quá trình tổng hợp.
Kiểu hợp tác (Cooperative type): V ụ iểu th o i này ở Hình 1.10c của 2 nút đo lƣờng ằng hình ảnh về mục tiêu, một nút hông thể đo lƣờng hết mục tiêu, CH phải s dụng thêm kết quả đo của một nút khác.
1.4.2.1. Theo dõi mục tiêu dựa vào vị trí của nút
Việc theo dõi mục tiêu dựa vào vị trí của nút phụ thuộc phần lớn vào phạm vi phủ sóng và khoảng cách giữa nút cảm biến trong cụm với mục tiêu theo dõi và với CH. Tín hiệu sóng điện từ có năng lƣợng suy hao tỉ lệ hàm mũ 2 so với khoảng cách từ điểm phát đến điểm nhận [43, 69]. Vì vậy, để đạt hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng, các hƣớng nghiên cứu luôn đề xuất giải pháp tối ƣu hóa về khoảng cách thu nhận và truyền dữ liệu của nút cảm biến [76]. Một số giải pháp kết hợp giữa theo dõi và định tuyến bằng cách tối ƣu hóa trong việc chia mạng thành các lƣới ảo để theo dõi và truyền dữ liệu: Dựa trên năng lƣợng trung bình hiện tại của mạng để tạo ra các cụm tối ƣu về mức tiêu thụ năng lƣợng 78 , chia lƣới cho mỗi cụm trong đó hƣớng đến số lƣợng nút mỗi cụm là nhƣ nhau 79 , chia cụm với số lƣợng nút mỗi cụm dựa trên phân bố tải của mạng (network load distribution) [80]... Tuy nhiên, các giải pháp này chƣa đặt ra đƣợc mối liên hệ giữa tiêu hao năng lƣợng khi nút mạng truyền tín hiệu bằng sóng vô tuyến và khoảng cách giữa nút, CH và mục tiêu.
Luận án đề xuất giải pháp ETR-DF theo dõi mục tiêu dựa vào khoảng cách tƣơng đối giữa nút trong cụm đó với CH của nó, mục tiêu theo dõi nhằm tiết kiệm năng lƣợng của nút và đƣợc trình bày ở Mục 2.1 của Chƣơng 2.
1.4.2.2. Theo dõi mục tiêu dựa vào thời gian
Hiện nay, theo dõi mục tiêu dựa vào thời gian hƣớng đến việc CH (hoặc/và BS) tổ chức điều khiển các nút trong cụm theo các giao thức điều khiển thức/ngủ (Sleep/wakeup Protocols). Với cách tiếp cận đó, các giao thức này có thể đƣợc chia thành 03 loại chính [50]: Theo yêu cầu (On-demand),
hẹn lịch theo kế hoạch (cheduled Rendezvous), th o chƣơng trình hông đồng bộ (asynchronous). Đặc điểm chính của các loại giao thức này nhƣ sau:
Các giao thức loại theo yêu cầu (On-demand) với phƣơng pháp trực quan nhất để quản l năng lƣợng của nút. tƣởng cơ ản là một nút cảm biến chỉ nên “thức” hi có một nút khác yêu cầu giao tiếp với nó. Vấn đề còn lại đó là làm sao để thông báo với nút đang “ngủ” iết có một nút hác đang sẵn sàng giao tiếp với nó. Hiện nay, giải pháp thƣờng là duy trì mức điện áp nguồn nuôi với ngƣỡng nào đó có thể chấp nhận đƣợc để khi có yêu cầu, nút tự động chuyển trạng thái. Tuy nhiên, kỹ thuật này có nhƣợc điểm lớn đó là phải mất thời gian trễ để chuyển trạng thái, trong thời gian chuyển đó có thể bị mất dữ liệu nếu có nút truyền dữ liệu đến chúng. Giải pháp STEM (Sparse
Topology and Energy Management) 51 đề xuất s dụng 2 kênh truyền sóng
trong đó 1 ênh ùng cho việc báo hiệu (kênh này luôn thức – trạng thái stand- y, năng lƣợng tiêu thụ hông đáng ể) và một kênh cho việc truyền dữ liệu. Giải pháp PTW (Pipelined Tone Wakeup) [52] cải tiến STEM bằng cách cải tiến kênh báo hiệu, khi có sự kiện thì đánh thức trƣớc 1 nhịp với các nút lân cận. Bản chất của giải pháp PTW là bên g i sẽ báo hiệu trƣớc với nút nhận khi có sự kiện mạng. Tuy nhiên, PTW gặp hó hăn trong việc xác định
thời điểm để báo thức. Vì vậy, nhóm giải pháp này có ƣu điểm là chỉ phù hợp với trƣờng hợp cảm biến với tốc độ bít thấp.
Các giao thức loại hẹn lịch theo kế hoạch (Scheduled Rendezvous) với giải pháp tiếp cận điểm hẹn theo lịch trình định sẵn. tƣởng cơ ản là điều khiển thức ngủ đối với tất cả các nút láng giềng để đảm bảo rằng chúng đang thức để trao đổi dữ liệu. Giải pháp này ƣu điểm là đơn giản nên đã đƣợc s dụng đối với tiện ích TinyDB, TASK, giao thức S-MAC, T-MAC [49]. Vấn đề đặt ra là trong trƣờng hợp nút thức dậy nhƣng hông có sự biến động của mục tiêu (cần đo lƣờng) dẫn đến việc thức dậy của nút theo chu kỳ sẽ gây tổn hao về năng lƣợng do lãng phí thời gian chờ đợi. Hơn nữa, có thể thời điểm mạng hoạt động nhƣng nút đang ở trạng thái ngủ, không cảm nhận đƣợc.
Đối với mạng có phân cụm, giao thức TDMA chia thời gian thành các chu kỳ (cycle/round) nhất định, mỗi chu kỳ gồm các khung (frame), mỗi hung đƣợc chia thành các khe thời gian (time slot). Giao thức s dụng các khe thời gian để truyền nhận dữ liệu từ nút nguồn đến nút đ ch. Nút CH điều phối, gán khe thời gian cho nút. Giao thức MAC điển hình cho cơ chế này là LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) [53]. Ngoài ra, một trong những giao thức TDMA tiết kiệm năng lƣợng quan trọng nhất cho các mạng cảm biến không dây là TRAMA (TRaffic-Adaptive Medium Access)
[54]. TRAMA chia thời gian thành hai phần, một khoảng thời gian truy cập ngẫu nhiên và một thời gian truy cập theo lịch trình. Thời gian truy cập ngẫu nhiên đƣợc dành cho việc đặt khe và truy cập với thuật toán dựa trên việc bầu c , cạnh tranh đảm bảo một nút đƣợc định danh bởi một khe duy nhất; thời gian truy cập theo lịch trình đƣợc hình thành bởi một số khe gán cho một số nút riêng lẻ. Mỗi nút sau hi đƣợc sở hữu 1 khe, phải g i gói tin đồng bộ chứa anh sách các điểm đến hàng xóm để đặt lịch và nút g i đó phải ở trạng thái thức vào thời điểm time slot của nó. Các time slot còn trống có thể đƣợc s
dụng bởi nút khác. FLAMA (Flow-Aware Medium Access) [55] là một cải tiến TRAMA trong đó tối ƣu hóa cho ứng dụng th o i định kỳ. tƣởng ch nh là để tránh hao ph liên quan đến việc trao đổi các luồng thông tin có tính chất ổn định và dữ liệu đƣợc g i đi hi đƣợc yêu cầu một cách rõ ràng.
Các giao thức loại ngủ/thức không đồng bộ (asynchronous): tƣởng chính của nhóm các đề xuất này là việc thức ngủ không có chu kỳ mà tùy thuộc vào nhu cầu cần đo lƣờng của mạng cảm biến, của nút cảm biến. Ví dụ, công trình [56 đề xuất giải pháp MAMAC (A Multi-channel Asynchronous
MAC Protocol for WSNs) s dụng hệ thống đại biểu (Quorum system) để bầu
c , dung sai lỗi và loại trừ lẫn nhau khi s dụng kênh truyền. MAMAC chia mạng thành các cụm kênh truyền, mỗi cụm gồm các miền không giao nhau giới hạn bởi 2 đƣờng tròn tâm sink (là CH hoặc BS) và bán kính khác nhau. Giao thức này điều chỉnh thích nghi thời gian ngủ/thức của cảm biến theo phƣơng thức hông đồng bộ để trao đổi dữ liệu, trên kênh truyền không s dụng tín hiệu đồng bộ hóa g i nhận. MAMAC xác định tần số đánh thức cho mỗi nút cảm biến dựa trên lƣu lƣợng truy cập của chính nó. Hệ thống đại biểu đƣợc s dụng để đại diện cho các khe thời gian (đƣợc gọi là khe thời gian đại biểu) trong đó một nút cảm biến phải tỉnh táo.
Cách tiếp cận này tuy linh hoạt về bảo toàn năng lƣợng của nút nhƣng việc trao đổi thông tin giữa các nút hông đƣợc thực hiện r ràng o chƣa có cơ chế ràng buộc, hông đƣợc sự điều khiển đồng bộ của CH hay BS mà chủ yếu dựa vào sự chủ động cảm nhận và điều chỉnh của nút dẫn đến mất đồng bộ giữa g i - nhận, nguy cơ mất dữ liệu cảm nhận.
Nhƣ vậy, đối với hƣớng nghiên cứu theo dõi mục tiêu dựa vào thời gian, các nghiên cứu bộc lộ một số nhƣợc điểm: mất thời gian trễ để chuyển trạng thái (thức - ngủ và ngủ - thức), trong thời gian này có thể bị mất dữ liệu nếu có sự truyền dữ liệu với nút đó; hó hăn trong việc xác định thời điểm
chuyển trạng thái của nút; lãng ph năng lƣợng của nút nếu s dụng nhiều kênh truyền dự phòng cũng nhƣ cơ chế “hẹn lịch theo kế hoạch” đối với toàn bộ nút trong cụm.
Luận án đề xuất giải pháp ATTS-DF khắc phục phần lớn các nhƣợc điểm này, đề xuất đƣợc trình bày ở mục 2.2 của Chƣơng 2.
1.4.2.3. Lựa chọn dữ liệu và truyền ến CH
Lựa chọn dữ liệu hay thu thập dữ liệu với hai mục đ ch ch nh: Ƣu tiên lấy dữ liệu có nhiều thông tin và hạn chế số gói tin trên đƣờng truyền từ các nút trong cụm đến CH. Hƣớng s dụng năng lƣợng hiệu quả trong việc thu thập dữ liệu (energy efficient data acquisition) với mục tiêu tối ƣu phƣơng pháp lấy dữ liệu. Trên thực tế đôi hi năng lƣợng để thu đƣợc dữ liệu cảm nhận hữu ích (phản ánh sự kiện) lại thấp hơn rất nhiều so mức tiêu thụ năng lƣợng cho các công việc phụ trợ, ví dụ: chờ/dò lấy mẫu thông tin sự kiện, chuyển đổi tín hiệu A-D, truyền các gói tin kết nối với sensor lân cận,… Hiện nay, các nghiên cứu hƣớng đến việc s dụng hiệu quả năng lƣợng trong vấn đề truyền sóng vô tuyến nhiều hơn việc cải tiến các phƣơng pháp t nh toán trên CPU của cảm biến. Lấy mẫu thích nghi (adaptive sampling) với mục tiêu tối ƣu trong việc lấy mẫu dữ liệu, ví dụ có thể giảm tần số lấy mẫu khi trong thời gian đó giá trị của mẫu đó hông thay đổi quá nhiều. Lấy mẫu phân cấp
(hierarchical sampling) với mục tiêu tối ƣu trong ph n chia vai trò, chức năng lấy mẫu của sensor. Mỗi s nsor có độ phân giải trong không gian, thuộc tính lấy mẫu hác nhau nhƣng phải bao phủ tầm vực cần cảm biến và đảm bảo độ chính xác. Lấy mẫu theo mô hình hoạt động (model-based active sampling)
với mục tiêu tối ƣu việc lấy mẫu theo khu vực. Phƣơng pháp này phải kết hợp với dự báo sự kiện có thể xảy ra tại 1 khu vực nhỏ (thuộc vùng cần cảm biến), hệ thống sẽ điều khiển chỉ lấy mẫu trong khu vực đó.
Đối với mạng cảm biến có phân cụm, khi chọn dữ liệu để tổng hợp việc cân bằng giữa bảo toàn bộ dữ liệu cảm nhận và hao tổn năng lƣợng để truyền tất cả dữ liệu đó đến CH là vấn đề rất đƣợc quan t m. Trong quá trình đo lƣờng về mục tiêu, tần số đo lƣờng cũng hông thể giảm xuống ƣới một mức nhất định, lƣu lƣợng dữ liệu có thể đƣợc giảm bằng cách s dụng các kỹ thuật nén, nhƣng nút sẽ mất nhiều năng lƣợng do phải tính toán phức tạp và yêu cầu cao về bộ nhớ [57]. Các nhóm nghiên cứu th o hƣớng g i toàn bộ dữ liệu đến CH để CH tính toán, lấy mẫu dữ liệu nhƣ thống kê ở [58 , ƣu tiên lựa chọn các nút có năng lƣợng cao trong cụm thu thập dữ liệu và các nút năng lƣợng thấp để chuyển tiếp dữ liệu đến CH [91]. Công trình [92] lựa chọn một tỉ lệ nút trong cụm theo xác suất để thu thập dữ liệu. Phƣơng thức này có thể hạn chế đƣợc số lƣợng nút trong cụm tham gia g i dữ liệu nhƣng vẫn có thể lựa chọn các nút ở xa mục tiêu hoặc/và các nút có năng lƣợng rất thấp hông đủ để g i dữ liệu đến CH gây nên việc mất dữ liệu. Công trình 93 đề xuất giải pháp xây dựng bộ dữ liệu bằng cách tạo một giá trị an đầu mặc định cho CH, phƣơng sai và ngƣỡng dữ liệu thu thập đƣợc cung cấp bởi ngƣời dùng, CH tƣơng tác với các nút trong cụm để sàng lọc dần dữ liệu bằng cách tăng ần giá trị đo lên 1 đơn vị và trao đổi với các nút để xác nhận mức đo thực tế. Việc trao đổi để xác định giá trị này đƣợc lặp lại cho đến mức cuối cùng mà nút đo đƣợc về mục tiêu. Phƣơng thức này có thể tạo đƣợc sự thống nhất trong các phép đo độc lập của mỗi nút nhƣng số lƣợng dữ liệu thông tin trao đổi khá lớn có thể gây nghẽn mạng và nguy cơ mất dữ liệu báo hiệu.
Với các ƣu điểm và nhƣợc điểm nêu trên, Luận án đề xuất cải tiến việc thu thập dữ liệu cùng với theo mục tiêu theo không gian (vị trí của nút), theo thời gian và đƣợc trình ở Chƣơng 2.
1.4.3. T ợp u tạ CH
Định tuyến phân cụm của mạng phân cụm (cluster-based network) thích ứng với năng lƣợng thấp LEACH đƣợc xem là giao thức điển hình. Đặc điểm chính của LEACH [43]: Chia nhỏ mạng thành các cụm (cluster) không giao nhau để phân phối mức tiêu thụ năng lƣợng, phân cấp trong vấn đề tổng hợp dữ liệu và định tuyến. Mỗi cụm có 1 nút cụm trƣởng CH (cluster head). Các nút trong cụm g i dữ liệu đến CH kiểu Singlehop, CH chịu trách nhiệm tổng hợp để giảm dữ liệu ƣ thừa và g i dữ liệu tổng hợp đến BS (hoặc CH cấp cao hơn) iểu đơn chặng (Singlehop) hoặc đa chặng (Multihop). o đó, CH sẽ tiêu tốn nhiều năng lƣợng hơn các nút hác trong cụm của nó. Các nút trong mỗi cụm sẽ s dụng kênh truyền kiểu TDMA và gán cho mỗi nút 1 khe thời gian để tránh xung đột khi truyền dữ liệu đến CH. Các nút cụm trƣởng s dụng C MA (đa ph n chia th o mã) để quảng bá/giao tiếp với các nút trong cụm nhằm tránh xung đột với các nút khác ngoài cụm.
LEACH có 2 pha: Pha thiết lập cụm (gồm lựa chọn nút CH, tạo thông tin của cụm) và pha ổn định trạng thái (gồm tiếp nhận dữ liệu, tổng hợp dữ liệu và truyền dữ liệu đến trạm cơ sở).
Vấn đề năng lƣợng của LEACH: Giải thuật LEACH quy ƣớc các nút trong mạng có năng lƣợng đồng nhất tức lúc mạng bắt đầu hoạt động, toàn bộ các nút trong mạng có nguồn dự trữ năng lƣợng nhƣ nhau. Kênh truyền tin là đối xứng về ăng thông nhƣng năng lƣợng để truyền 1 bít dữ liệu giữa 2 nút lớn hơn năng lƣợng để nhận 1 bít dữ liệu giữa 2 nút đó. Đối với LEACH, năng lƣợng của nút không phải là yếu tố quan trọng hi xác định CH (ở pha thiết lập cụm) mà là yếu tố xác suất [43].
o đó, LEACH có hai ƣu điểm: (1) phân tán sự tiêu hao năng lƣợng ra các nút trong mạng (2) có thể tổng hợp dữ liệu ở CH để giảm việc truyền ƣ thừa thông tin đến BS.
Tuy nhiên, LEACH tồn tại một số nhƣợc điểm [42, 44, 45, 71, 72, 73, 100 : (1) CH đƣợc chọn ngẫu nhiên mà hông x m xét yếu tố năng lƣợng dự trữ của nút o đó hả năng nút t năng lƣợng hơn vẫn có thể đƣợc chọn làm CH: (2) Trong pha thiết lập cụm, ngoài chọn ngẫu nhiên CH còn chọn các nút thành viên của cụm. CH sẽ g i bản tin mời các nút lân cận tham gia nhóm, có thể tồn tại một số nút (ở xa CH ví dụ biên của mạng) không nhận đƣợc “lời mời” này nên trong vòng này, các nút đó sẽ không thuộc CH nào và đƣơng nhiên không tham gia mạng; (3) Với pha ổn định trạng thái: Việc lấy thông tin cảm nhận theo chu kỳ sẽ không hợp lý nếu tần số xảy ra sự kiện é hơn tần số lấy mẫu. Điều này có nghĩa là mạng đã tiêu tốn năng lƣợng để thu đƣợc các mẫu dữ liệu cảm biến nhƣ nhau; (4) Trong mỗi vòng, BS sẽ thiết lập N khe thời gian để CH g i thông tin đã đƣợc tổng hợp đến S (th o T MA), nhƣng chƣa chắc vòng đó có N cụm (hay CH). Có nghĩa là tồn tại những khe thời gian, thông tin hông đƣợc truyền, điều này gây hiện tƣợng trễ.
Vì vậy, nhiều đề xuất cải tiến nhằm tận dụng hết năng lƣợng phân tán ở